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(1)コンクリート工学年次論文集，Vol.25，No.1，2003. 高炉スラグ粉末が急結性に及ぼす影響. 論文. 中島. 康宏*1・石田積*2・高橋光男*3・安藤哲也*4. 要旨：普通ポルトランドセメントと高炉スラグ粉末からなる高炉セメントにカルシウムサ要旨ルフォアルミネート系急結剤を加えて急結性を評価し，次の結果が得られた。（１）20℃ において，高炉セメントは，普通ポルトランドセメントと同等以上の急結性を有しており，材齢 28 日の強度発現性はほぼ同じである。（２）高炉スラグ粉末の置換率が 25%から 65% の範囲では，スラグの置換率が急結性へ及ぼす影響は少ない。（３）比表面積の大きい高炉スラグ粉末を用いた場合，急結性は変わらないが，材齢 1 日から 7 日にかけての強度発現性は向上する。キーワード：トンネル，吹付け，急結剤，高炉スラグ，耐久性キーワード 1.. はじめに. の優れた急結剤が求められており，このような. 従来から，トンネル建設に使用する吹付けコンクリートには，普通ポルトランドセメントが. 材料設計において，急結剤の担う役割は大きいと考えられる。. 用いられているが，近年，高炉セメントを使用. 本研究では，高炉セメントと急結性能や強度. した硬化体の高い耐久性や，環境負荷低減の流. 発現性を高めたカルシウムサルフォアルミネ. れから副産物の再利用やリサイクル材の採用. ート系急結剤を使用して材料設計する基礎的. を奨励するグリーン調達の指定品目として高. 研究として，急結剤量，高炉スラグ粉末のセメ. 炉セメントが挙げられたことなどから，トンネ. ントへの置換率，および高炉スラグ粉末の比表. ルの吹付でも高炉セメントを使用した吹付け. 面積等がモルタルの急結性や強度発現性に及. が提案されている. １~ ３). 。しかしながら，実質の. ぼす影響を検討した。. 単位ポルトランドセメント量が減少することから，初期の急結性を従来の普通ポルトランド. 2.. セメントを使用した場合と同等にするために. 2.1. は，自硬性を有するカルシウムアルミネートを. 新日鐵高炉社製の高炉水砕スラグ（以下，. 使用した急結剤が有効であることが報告され. BFS）を使用して高炉セメントを試製した。普. ４). 試験方法使用材料，配合. ている。ただし，カルシウムアルミネートと. 通ポルトランドセメント（以下，OPC）への BFS. 無機塩を主成分とする汎用急結剤では，高炉ス. の置換率は 25%，45%，および 65%であり，そ. ラグ微粉末等の水和活性の低い無機粉末をセ. れぞれ高炉セメントの A 種，B 種，および C 種. メントに置換して使用した場合，その置換率の. 相当品とした。また，B 種相当品については，. 増加とともに急結性が低下することが報告さ. スラグの比表面積が急結性に及ぼす影響を確認. ５）. れている。今後，吹付けコンクリートに高炉. するため，ボールミルを使用して，ブレーン比. セメントを本格的に導入するにあたり，急結性. 表面積で 1000，4000，および 7000±50cm2/g に. *1 電気化学工業㈱. セメント・特混研究所工修 (正会員). *2 電気化学工業㈱. セメント・特混研究所主任研究員学博(正会員). *3 電気化学工業㈱. セメント・特混研究所部長. *4 電気化学工業㈱. セメント・特混研究所所長（正会員）. ‑173‑.

(2) 調整したスラグを使用した。使用材料の物性を. 表−1 表−1. 各種使用材料の物性. 表−1 表−1 に示す。各種の物性はモルタルにて評価材料. した。モルタルの配合はセメント/砂比が 1/3，水/結合材（OPC＋BFS）比が 55%である。ポリ. 密度 (g/cm3). ブレーン比表面積 (cm2/g). 3.15. 3600. 2.61. ― 1000 4000 7000. 普通ポルトランドセメント(OPC) 細砂(FM 値=2.76). カルボン酸系高性能減水剤を使用し，JIS R 5201 に準拠した測定方法にてモルタルの初期フローを 190±10mm に調製した。各配合における結合. 高炉スラグ粉末 (BFS). 2.91. カルシウムサルフォアルミネート系急結剤 (CaO:42.6%， Al2O3:22.3%， SO3:28.6%). 2.93. 材に対する減水剤の使用量を表− 表−2 表−2 に示す。急結剤は，カルシウムサルフォアルミネート系急結剤を結合材に対して外割で 6〜10%使用した。 2.2 測定項目および測定方法試験の環境温度は 20℃と 5℃とした。. 5600. (1) プロクター貫入抵抗試験結合材，砂，水，および減水剤をモルタルミ. 表−2 表−2. キサーにて混練して初期フロー値を調整したモ. 置換率配合. ルタルを便宜上，ベースモルタルとする。ベースモルタルに急結剤を添加して JSCE D 102 に. OPC BA BB BC B1000 B7000. 準拠したプロクターの貫入抵抗試験を行った。 5℃の環境下でも同様に試験した。 (2). 各配合における減水剤使用量. 圧縮強度試験. JIS R 5201 に準じて各材齢にて測定した。. OPC. BFS. 100 75 55 35 55 55. − 25 45 65 45 45. BFS のブレーン比表面積 (cm2/g) − 4000 4000 4000 1000 7000. 減水剤使用量 (%) 0.6 0.5 0.5 0.5 1.0 0.3. 20℃環境下の試験では，モルタルの型枠への詰プロクター貫入抵抗値(N/mm2). め込みを容易にするために，5℃に冷却した材料を使用した。供試体は 24 時間で脱型し，以後，各材齢まで 5℃，および 20℃の水中養生とした。 (3). ペーストの液相分析. 20℃の試験環境下にて，OPC や各スラグ置換率の高炉セメントを使用して W/C=55%のペーストを調製した。水と結合材を 2 分間攪拌した後，吸引濾過によってペーストから液相を抽出. OPC:10%. 30. OPC:8%. BB:6%. BB:10%. 25. BB:8%. 20. OPC:6%. 15 10. 20℃. 5 0 0. し，得られた液相中に含有される Ca，Al，およ. 5 経過時間(分). 10. び S の溶出量を ICP 発光分析（セイコーインス図−1 図−1. ツルメンツ社製：Vista-PRO）にて定量した。. 各急結剤量での BB と OPC の急結性. 3. 実験結果および考察. スラグ粉末はブレーン比表面積が 4000cm2/g の. (1). ものを使用し，水/結合材比は 55%である。急結. 急結剤量の影響急結剤量の影響. OPC の 45%を BFS にて置換した高炉セメント. 剤の添加量は結合材に対して外割で 6，8，およ. （以下，BB）にて急結剤の添加量が，モルタル. び 10%である。また比較のため，OPC を使用. の急結性や強度発現性に及ぼす影響について検. したモルタルでも同様に試験した。急結性を図図. 討した。試験の環境温度は 20℃である。高炉. −1 に，強度発現性を図− 図−2 図−2 にそれぞれ示す。. ‑174‑.

(3) 図−1 図−1 に示すように，OPC 系，BB 系のいずれ. 60. においても，急結剤の添加量の増加とともに，. 50 圧縮強度(N/mm ). 20℃ 2. 同一の経過時間あたりの貫入抵抗値は増加した。セメントの種類で比較すると，いずれの急結剤量においても，ほとんど差異は認められない。強度発現性に関しては，いずれの急結剤量に. 40 30 28days 7days 1days. 20 10. おいても，OPC と比較して BB は，材齢 7 日ま. :8%. :10 % BB. BB. :6% BB. PC :10 %. O. O. PC :6% O. 水和活性が高まる材齢 7 日から 28 日にかけての. PC :8%. 0. での初期材齢での強度発現性が低く，スラグの強度発現性が高い。材齢 28 日において各急結剤量で OPC と BB で比較すると，急結剤量 6%と. 図−2 図−2. 各急結剤量での BB と OPC の強度発現性. プロクター貫入抵抗値(N/mm 2 ). 8%では同等であるが，10%では BB の方が高い強度を示した。急結剤を 10%添加した BB の方が高い強度発現性を示した理由としては，急結剤から供給されるサルフェート量が増したことが挙げられる。市販の高炉セメントでは，強度発現性の観点から，総じて，結合材中に含有される石膏量は. 30. 20℃. 25 20. OPC BA BB BC. 15 10 5 0. OPC の場合とほぼ同等となっている。今回，試. 0. 製した BB では， OPC に対して BFS を 45%置. 5. 10. 経過時間(分）. 換しているために，OPC と比較して含有される石膏量が 45%減少している。したがって，この. 図−3 図−3. 高炉スラグ粉末の各置換率での急結性. 影響で潜在的であったスラグの水和活性が，急結剤から供給されるサルフェート量の増加によ. も，急結性にほとんど差異は認められなかった。. って高まり，結果，高い強度を示したと考えら. BFS の置換率が 65%である図中の BC では，OPC. れる。急結剤の添加率が低く，強度発現性が低. が 35%しか混合されていないにもかかわらず，. い場合でも，BB の石膏量を適量に調整するこ. OPC のみのものと変わらない急結性を示した。. とによって，より高い強度発現性を示すことが. BFS の置換率に対して，急結性が変わらない理由として，水/結合材容積比の変化による物理. 示唆された。 (2). 高炉スラグ粉末の置換率の影響. 的要因とベースモルタルの液相中に含有される. OPC への BFS の置換率が急結性や強度発現. 溶出イオンの変化に伴って，急結剤の反応率が. 性に及ぼす影響について検討した。急結性を図図. 変化する化学的要因が理由として挙げられる。. −3 に示す。試験の環境温度は 20℃である。BFS. 物理的要因については，次のように考察され. の各置換率は，25%，45%，および 65%であり，. る。BFS の密度は，OPC の 3.15 g/cm3 よりも小. それぞれ図中の BA，BB，および BC に対応し. さい 2.91 g/cm3 である。したがって，BFS の置. ている。BFS のブレーン比表面積は 4000cm2/g. 換率の増加に伴い，水/結合材容積比が小さくな. である。急結剤の添加量は結合材に対して外割. り，これが急結性に有効に働いたと考えられる。. で 8%である。また，比較のために，OPC を使. 各置換率における，水/結合材容積比を表− 表−3 表−3 に. 用したモルタルについても試験した。. 示す。. 図−3 図−3 より，いずれの BFS の置換率において. ‑175‑. 一方，化学的要因について調査するために，.

(4) BFS の各置換率にて，ペーストの液相中に含有. 表−3 表−3. される Ca，Al，および S 等の主要な成分を分析. 水/結合材容積比. 高炉スラグ粉末の各置換率での. した。ペーストの水/結合材比は，55%である。. 高炉スラグ置換率 0% 25% 45% 65%. 結果を図− 図−4 図−4 に示す。水/結合材容積比. 図−4 図−4 より，Ca 溶出量に着目すると，いずれ. 1.73. 1.70. 1.67. 1.64. 1600. 16. して，25%では高くなるが，それ以降の置換率. 1400. 14. 1200. 12. 1000. 10. 800. 8. Ca と Sの溶出量(mg/l). られない。S 溶出量は，BFS の置換率 0%と比較では減少に転じ，65%の置換率では 0%の置換率と同等の溶出量となった。一方，Al 溶出量は， BFS の置換率の増加に伴って減少し，BFS の置換率が 45%以降は収束した。以上の結果から，先の急結性と照らし合わせ. 600. 6 Ca S Al. 400 200. 4 2. 0. て，これらの溶出した成分の中でもっとも急結. Alの溶出量(mg/l). の BFS 置換率においても，ほとんど差異は認め. 0 0% 25% 45% 65% 高炉スラグ置換率(%). 性に影響を及ぼす因子としては，とりわけ Al 溶出量であると考えられる。多量に Al を含む液図−4 図−4. 相中に急結剤が混和された場合には，急結剤の表面に急激に Al(OH)3 ゲルが沈着し，その後の. 各成分の液相中への溶出量. 60. 水和を緩慢にしていると考えられる。水和反応. 20℃ 50 圧縮強度(N/mm2 ). の初期段階で急結剤表面に Al(OH)3 ゲルが生成することにより，その後の急結剤の反応を抑制する考えは中川らによって報告されている６）。以上の理由から，BFS の置換率の増加に伴い，液相中に溶出する Al 量が減少したために，急結. 40 30 28days 7days 1days. 20 10. 剤の反応率が相対的に高まっていると推察され. 0. る。この現象の解明ついては，急結剤の反応率. OPC. BA. BB. BC. の定量や水和生成物の同定等を行い，今後，更図−5 図−5 高炉スラグ粉末の各置換率での強度発現性. なる検討が必要である。以上をまとめると，BFS 置換率の増加により単位 OPC 量が減少しても，急結性がほぼ一定で. 図−5 図−5 より，材齢 28 日の圧縮強度にて比較す. あるのは，前記した物理的要因と化学的要因と. ると，BFS の置換率が 25%の図中の BA，置換. が複合した結果であると推察される。したがっ. 率が 45%の BB は OPC と同等の強度であった。. て，OPC と置換することで，水/結合材容積比が. BFS の置換率が 65%の BC では，OPC と比較. 減少し，さらに OPC から溶出する Al 量が減少. して 2 割ほど強度が低下するが，さらに材齢が. すると予想される他の混合セメント，例えば，. 進むにつれ，両者間の差は小さくなることが予. 石灰石粉末の混合セメントやフライアッシュの. 想される。. 混合セメントにおいても，同様の現象を呈する. (3). と予想される。. BFS の比表面積がモルタルの急結性や強度発. 次に，BFS の各置換率が，強度発現性に及ぼす影響について検討した結果を図− 図−5 図−5 に示す。. 高炉スラグ粉末の比表面積の影響. 現性に及ぼす影響について検討した。BFS のブレーン比表面積は，それぞれ 1000，4000，およ. ‑176‑.

(5) プロクター貫入抵抗値(N/mm 2 ). び 7000 cm2/g であり，BFS の OPC への置換率は 45%である。急結剤量は，結合材に対して外割で 8%とした。試験の環境温度は 20℃である。急結性を図− 図−6 図−7 図−6 に，強度発現性を図− 図−7 にそれぞれ示す。図−6 図−6 より，いずれの比表面積においても，急結性に差異は認められない。一方，図− 図−7 図−7 に. 30. 20℃. 25 20. B1000 B4000 B7000. 15 10 5. 示されるように，強度発現性については，比表. 0 0. 面積の増加に伴い，いずれの材齢においても強. 5. 度は高くなった。とりわけ，材齢 1 日から 7 日にかけての強度発現性への寄与が大きくなる。. 10. 経過時間(分). 図−6 図−6. 高炉スラグ粉末の各比表面積での急結性. 図−2 図−2 や図− 図−5 図−5 に示されるように，OPC と比. 60 20℃. 較して，高炉セメントは初期材齢の伸びが小さ. 50 圧縮強度(N/mm2 ). くなるが，BFS の比表面積を大きくすることで，初期の強度発現性の大幅な改善が期待される。 (4) 低温性状これまでに，環境温度 20℃での一連の性状に. 40 30 28days 7days 1days. 20. ついて記述してきたが，BFS はその水和活性の. 10. 低さから，低温での強度発現性が憂慮されると 0. ころである。各急結剤量での急結性，および強. B1000. B4000. B7000. 度発現性について評価した。比表面積が 4000 （以下， cm2/g の BFS の OPC への置換率は 45%. 図−7 図− 7. BB）であり，急結剤の添加量は結合材に対し. 発現性. 高炉スラグ粉末の各比表面積での強度高炉スラグ粉末の各比表面積での強度. て外割で 6，8，および 10%である。試験の環プロクター貫入抵抗値(N/mm 2 ). 境温度は 5℃である。急結性を図− 図−8 図−8 に，強度発現性を図− 図−9 図−9 にそれぞれ示す。図−8 図−8 より，OPC，BB ともに急結剤量の増加に伴い同一経過時間あたりの急結性は高くなった。OPC では急結剤量が急結性に及ぼす影響が大きく，添加量が 6%では，ほとんど急結性を示さない。一方，BB では，添加量が急結性. 30. 5℃. OPC:10%. 25. BB:10% BB:8%. 20. OPC:8% 15 10. BB:6%. 5. OPC:6%. 0. に及ぼす影響は小さい。. 0. 急結剤の添加量 6％では，OPC と BB で明ら. 5. 10. 経過時間(分). かに急結剤の反応率が異なっていると考えられる。今後，市販の高炉セメントにおいても同. 図−8 図−8. 様の現象を呈するか確認する必要がある。. 性. 低温時の各急結剤量での BB と OPC の急結. 一方，強度発現性に関しては，図− 図−9 図−9 より，いずれの添加量でも OPC と比較して BB は，材. 加量が 8％で頭打ちとなるが，BB では，20℃. 齢 28 日までの強度発現性が小さい。急結剤の. の場合と同様に急結剤の添加量の増加に伴い，. 添加率の影響に着目すると，OPC は急結剤の添. 強度が高くなった。. ‑177‑.

(6) 実現場での吹付けにあたっては，石膏量が調. 50. 整された市販の高炉セメントを使用することとが少ないこと等を勘案すると，OPC との強度差は本研究結果よりも小さくなることが予想される。いずれにせよ，高炉セメントを使用し. 28days 7days 1days. 40. 圧縮強度(N/mm2 ). やトンネル抗内の最低温度が 10℃を下回るこ. 5℃. 30 20 10. た吹付けでは，外気温度の影響を受けやすい坑 :8%. :10 % BB. BB. BB. OP C: 6% OP C: 8% O PC :10 %. 温において初期材齢の強度発現性を改善する. :6 %. 0. 口での冬期施工に留意しなければならない。低には，配合設計時に，W/C を低減することが望ましく，さらに，図− 図−7 図−7 の結果より，混合され. 図−9 図−9. る高炉スラグ粉末の比表面積を高めることも. 発現性. 低温時の各急結剤量での BB と OPC の強度. 有効であると考えられる。 4.. 参考文献. まとめ. 普通ポルトランドセメントと高炉スラグ粉. １）坂本全布，松岡康訓，志田亘：高強度吹付. 末からなる高炉セメントにカルシウムサルフ. けコンクリートの研究，土木学会第 46 回. ォアルミネート系急結剤を加えて評価し，次の. 年次学術講演会第５部，46th，pp.630-631，. 結果が得られた。. 1991. (1) 20℃において，普通ポルトランドセメント. ２）中島雅友ほか：高炉スラグ微粉末を使用し. （以下，OPC）と比較して OPC の 45%を高. た高強度吹付けコンクリートに関する研. 炉スラグ粉末で置換した高炉セメント（以. 究，土木学会第 53 回年次学術講演会第３B. 下，BB）は，同等以上の急結性を有してお. 部，53th，pp.192-193，1998. り，材齢 28 日の強度発現性は，ほぼ同じで. ３）竹本光慶ほか：高炉セメント B 種を用いた高強度吹付けコンクリートのモデル試験. ある。. 施工，土木学会第 55 回年次学術講演会第 5. (2) 高炉スラグ粉末の置換率が 25%から 65%の. 部，55th，pp.442-443，2000. 範囲では，スラグの置換率が急結性へ及ぼ. ４）近藤光明，富沢年道，永渕強，近田孝夫：. す影響は少ない。 (3) 高炉セメントが OPC と同等の急結性を示. 急結剤を添加した場合の高炉セメントの. すのは，OPC と比較して高炉セメントの方. 凝結，硬化性状，第 6 回コンクリート工学. が水/結合材体積比が小さくなるためであ. 年次講演会論文集，pp.141-144，1984. り，さらに，同一の経過時間あたりの急結. ５）山本賢司，盛岡実，寺村悟，坂井悦郎：環. 剤の反応率が高いためと推察される。. 境負荷の小さい吹付けコンクリートの配. (4) 比表面積の大きい高炉スラグ粉末を用いた. 合設計，セメント・コンクリート論文集，. 場合，急結性は変わらないが，材齢 1 日か. No56，pp.148-155，2002. ら 7 日にかけての強度発現性は向上する。. ６）中川晃次ほか：非晶質カルシウムアルミネ. (5) 5℃において，OPC と比較して BB は急結剤. ートの初期水和におよぼす結晶化率化学. 量が急結性に及ぼす影響が少ない。強度発. 組成の影響，石膏と石灰，No231，pp.10-15，. 現性に関しては，材齢 28 日の強度が小さい. 1991. 結果となった。. ‑178‑.

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